全光纤干涉型温度传感器的研制

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光纤传感技术是近年来国际上发展最快的高科技应用技术之一,具有抗电磁干扰、远距离传输、易组网、高灵敏、高可靠等优越性,这些优越性是目前其它传感技术所无法比拟的。尤其是对于恶劣环境条件下的传感应用,光纤传感是不可替代的技术。光纤干涉型传感器作为光纤传感器中极其重要的一类,具有高分辨率、高精度、高动态范围等优点,可应用于温度测量以及大型建筑结构、飞机及复合材料的结构健康监测当中。相比于光纤光栅传感器,光纤干涉型传感器的结构更紧凑,体积更小,能实现更精确的点测量,适合在安装位置狭小或对传感器集成化要求较高的场合应用。本论文以飞秒激光加工技术及电弧熔接技术为基础,设计并制作了三种全光纤干涉型传感器,搭建测试平台对这三种全光纤干涉型传感器进行温度性能测试,实验证明制作的传感器均具有较高的稳定度和较好的灵敏度。本论文的主要内容如下:(1)研究了飞秒激光微加工的加工工艺,对飞秒激光脉冲烧蚀光纤的过程进行了数值模拟仿真,实验研究了不同脉冲、扫描速度以及扫描次数下,光纤结构烧蚀区形貌及特性,为光纤干涉型传感器的制备提供实验基础。(2)研究了电弧熔接光纤工艺,实验研究了经过不同电弧能量、放电时间、放电强度、预熔时间及推进距离参数下,光纤熔接处的熔接强度及能量损耗。实验确定了最佳工艺参数值,制作的光纤熔接面平整且传光性能好,熔接的传感部位损耗仅为0.56dB。(3)研究基于迈克尔逊(Michelson)以及法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉原理的三种不同结构的全光纤传感器,建立光学设计模型,理论分析其传感性能,实验研究该传感器的温度传感特性,验证这种温度检测方法的可行性。实验证明,这三种传感器的条纹对比度高,线性度好,并能实现对温度准确有效的测量。其中全光纤Michelson干涉型传感器灵敏度较高,且传感探头结构更小,更符合微型化发展要求;而基于Fabry-Perot干涉原理制作的单模-多模-单模型(Single mode-Multimode-Single mode,SMS)传感器具有损耗低、透射率高的优点,能级联多个传感器构成分布式温度传感网络,实验证明优化后的级联SMS-IFPI单个传感单元损耗仅为0.56dB,对于长距离分布式干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值。
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